船舶空调：4大负荷特性、4大制冷形式

船舶航行环境复杂多变，其包含地理环境、气象环境、水文环境与通航环境等，并随航行过程演变，具有多维性，因此船舶制冷空调也具有特殊性。今天我们就来看一看，到底船舶制冷有哪些形式？

一、船舶空调负荷特点及特性

船舶空调负荷随航区、航行时刻发生变化。

• 通风负荷占总负荷的51.92%；
• 而舱壁导热和辐射负荷仅分别占总负荷的7.47%和6.68%；
• 在同一航区同一时刻，功能舱室最大负荷为最小负荷的2.684 倍；
• 可变舱室负荷的91.72%受室外温度变化的影响。

对于定航线船舶空调设计，应考虑航行途中航向角变化导致的负荷波动。

所以根据目前船舶空调设计，舱内外空气设计条件可根据航区进行分类，如表1所示。

1.1 热负荷特性 

船舶热负荷计算通常为舱内传入热、人员散发热量、照明热、食物热以及舱内设备发热的总和。其中，部分船舶设备散热量较大，如侧推装置和舵桨装置，需要为其配备专门的通风空调系统才能保证其正常运行。

同时，在全船住舱供暖运行时，这些设备舱室仍需供冷运行。军用舰船上大功率电子设备应用广泛，且瞬时发热速率大，发热波动幅度大，因此，要求制冷系统具有强大的调节能力，同时要求制冷系统在非工况条件下的性能有保障。

1.2 湿负荷特性  

海上空气的湿度较大，尤其是夏季运行环境，空气中水雾较多，新风湿负荷较大。对于潜艇，舱室人员多，设备组成复杂，内部局部相对湿度高达80%。在某些设备舱室如机房、低温实验室等产生凝结水会影响设备运行，为了提高舱室舒适性并保证设备正常工作，需进行除湿处理。

1.3 新风特性  

船舶舱室多为密闭空间，室内污染物容易聚集，在条件允许的情况下，应尽量增大新风量，改善空气品质。一般船用空调的新风比为50%，有些甚至要求达到80%，新风的能耗占整个空调系统的55%以上。

船舶空调系统的新风一般是多台空调机组通过1 个公共新风口引入，若在设计时对新风阻力考虑不充分，则可能造成新风系统相对回风阻力较大，整个新风系统处于负压区，从而导致新风量不足，空气品质差。由于船舶空间有限，新风口的引风口与排风口有一定距离，通常新风口与排风口分别设置在两舷，且随着船舶的航行风向，防止新风口吸入排气，通常新风口设置在艏部，排风口设置在船艉。

1.4 洁净度特性  

船舶空调的送风往往由新风与回风混合、过滤后经处理而成，因此，新风是影响送风空气洁净度的主要因素。海洋大气中的颗粒物和盐雾水汽等被吸入风道后，会沉积在换热器、风机和管道等设备的表面，导致设备性能下降，缩短使用寿命。

目前的做法通常在进风口增设除水雾百叶窗，该百叶窗由叶片式除雾器和介质过滤器组成，采用惯性分离技术，其可在含液量较低的气流中将液态颗粒分离出来。对于船舶上的医疗区域如手术室等洁净用房，需要保证一定的洁净度。无菌环境的实现不仅依靠过滤除菌技术，还需要合适的气流控制技术。

二、船舶制冷的4种形式

船舶上的制冷装置通常为单级蒸气压缩式制冷循环。

船舶空调加热来源通常为燃油锅炉产生的高温饱和蒸气，目前对绿色船舶的要求严格，在很多客船上，利用船舶余热和废热作为热源，通常为船舶主机高温缸套冷却水换热或是通过废气锅炉收集的主机排气余热。船舶空调加湿来源通常为船用锅炉蒸气、蒸气发生器以及水和压缩空气。

空调系统通常为一次回风系统，货运船舶一般采用全空气系统。客船、公务船这类人员多，舱室种类复杂的船型较多采用空气−水系统。船舶空调风管系统分为单风管和双风管系统，2 种系统的优、缺点对比如表2所示。

双风管系统广泛适用于豪华客船或有较高要求的商船上。对于船舶上通常采用的直接膨胀式。

双风管系统广泛适用于豪华客船或有较高要求的商船上。对于船舶上通常采用的直接膨胀式制冷系统，双风管系统更适合于满足不同区域的分别调节，对外部环境变化的适应性更好。但受船上空间限制，船上空调系统多为单风管、中压和中速集中式定风量空调系统，通过调节布风器送风量控制室温，但通常室内新风量得不到满足，影响了舱室内的卫生条件，因此，采用末端再加热的单风管集中式空调系统。

第一种：蒸气压缩式制冷

目前，大部分船舶制冷原理仍是蒸气压缩式制冷，制冷装置中的冷凝器一般使用海水或中央冷却水系统的低温淡水作为冷却介质。空调系统是船舶耗电大户，据统计，万吨级以上的民用船舶空调系统及伙食冷库能耗占总能耗的18%，客轮和邮轮则超过总能耗28%。随着国际海事组织(IMO)对船舶能效管理的要求日益严格，降低船舶制冷空调系统的能耗已成为落实船舶节能减排的重要内容。目前，船舶余热的新型节能制冷方式中，采用蒸气喷射式制冷和吸附/吸收式制冷技术。

第二种： 蒸气喷射式制冷

蒸气喷射式制冷能够利用低品位热能驱动，在船舶上的应用有一定可行性。船舶废气锅炉所产生的蒸气可直接作为蒸气喷射式制冷的流体，其原理图如图1 所示。

第三种：吸附/吸收式制冷技术

吸收式和吸附式制冷均能够利用低品位热能驱动。大部分船舶上主要动力推进装置为柴油机，受卡诺循环的限制，其热效率只有约50%，存在于排烟和循环冷却水中大量的废热可作为驱动制冷机组的可行热源。船舶吸收式制冷系统原理图如图2所示。

以1 艘万吨级的远洋船为例，全船余热可足够满足空调和冷藏系统的热量需求。

在船舶上应用吸附/吸收式制冷技术可充分利用船舶排气废热，节能降耗，同时可以解决CFCs工质的环保问题。但受船舶空间所限，后续研究需提高系统制冷效率，减小系统装置体积。由于船舶特殊的航行环境，倾斜、摇摆和振动情况较多，这对船舶制冷系统运行的可靠性提出更高要求。对于吸收式制冷，在船舶摇摆或倾斜时，溶液容易从发生器内进入冷凝器或从吸收器内进入蒸发器，从而污染制冷剂，导致不能正常运行，因而，吸附式制冷相对于吸收式制冷更能适应船舶航行环境和工况变化带来的余热波动。未来研究船用吸附剂时，需考虑其吸附性能在船舶运行环境中的稳定性。

第四种：LNG(liquefied natural gas)冷能利用技术

为了控制船舶污染，打造绿色低碳船舶，以LNG为燃料的船舶越来越多。LNG通常要被气化后应用，在此过程中会产生大量的冷能。根据LNG蒸气的性质，其冷能可以应用于LNG船舶伙食冷库、海水淡化装置、空气分离装置等领域。

LNG蒸气的温度较低，其作为冷源时对设备的材料有较高要求。LNG船舶蒸发的蒸气量有限，不能满足船舶上大规模的制冷需求，且由于LNG管路复杂，很容易泄露，因此，需经过相关机构认可后，才能进行实船应用。